具有电容式能量传递的功率转换器的控制的制作方法
【专利摘要】一种用于功率转换的装置，其包括：变压元件、调节元件以及控制器；其中，变压元件的周期等于系数和调节电路的周期之积，其中，系数选自由正整数和所述整数的倒数组成的组。
【专利说明】具有电容式能量传递的功率转换器的控制
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2011年12月19日提交的美国临时申请案61/577，271的 优先权日:的权益，其内容通过引用的方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本公开涉及利用电容器传递能量的功率转换器的控制。
【背景技术】
[0004]功率转换器一般可包括开关和一个或多个电容器。这类转换器可用于，例如，向便携式电子装置和消费类电子产品供电。
[0005]开关模式功率转换器是一种特定类型的功率转换器，其通过利用开关网络将能量存储元件(即，电感器和电容器)切换到不同的电力配置来调节输出电压或电流。
[0006]开关式电容转换器是一种主要利用电容传递能量的开关式功率转换器。在这类转换器中，电容器和开关的数量随着变压比的增加而增加。
[0007]典型的功率转换器执行变压和输出调节。在许多功率转换器中，比如降压转换器，这两种功能均在一个阶段发生。然而，还可将这两种功能分成两个专门阶段。这类两级功率转换器结构的特点在于独立的变压阶段和独立的调节阶段。变压阶段将一个电压转换成另一电压，而调节阶段则保证功率转换器的输出电压和/或输出电流保持所需的特征。
[0008]例如，参照图1，在一个已知的功率转换器10中，开关式电容元件12A在其输入端与电压源14电性连接。调节电路16A的输入端与开关式电容元件12A的输出端电性连接。然后，负载18A与调节电路16A的输出端电性连接。2009年5月8日提交的美国专利申请N0.2009/0278520中描述了这种转换器，其内容以引用的方式并入本文。
[0009]此外，2012年5月4日提交的PCT申请PCT/2012/36455描述了一种模块化多级功率转换器结构，其内容以引用的方式并入本文。开关式电容元件12A和调节电路16A可以多种不同的方式进行混合和匹配。这为这类功率转换器的组装提供了转换性集成电源解决方案(TIPSTM)。如此，图1所示的配置仅表示向一个或多个开关式电容元件12A配置一个或多个调节电路16A的众多方法中的一种方法。
[0010]图2图示了功率转换器10A，其从电压源14接收输入电压VIN并产生比输入电压VIN要低的输出电压V0。功率转换器IOA是图1所示功率转换器结构的具体实施例。开关式电容元件12A的特点在于2:1双相串并行开关式电容网络，该开关式电容网络包括电源开关S1-S8和泵电容器C1-C2。相反，调节电路16A的特点在于降压转换器，该降压转换器包括低侧开关SL、高侧开关SH、滤波电感器LI以及驱动级51。
[0011]在开关式电容元件12A工作时，电源开关S1、S3、S6、S8和电源开关S2、S4、S5、S7总是处于互补状态。因此，在第一网络状态中，电源开关S1、S3、S6、S8打开，而电源开关S2、S4、S5、S7关闭。在第二网络状态中，电源开关S1、S3、S6、S8关闭，而电源开关S2、S4、S5、S7则打开。开关式电容元件12A循环通过第一网络状态和第二网络状态，产生中间电压VX，该中间电压VX是输入电压VIN的一半。
[0012]参照图2，开关式电容元件12A在第一相电压VA较高且第二相电压VB较低时处于第一网络状态。相反，开关式电容兀件12A在第一相电压VA较低且第二相电压VB较高时处于第二网络状态。两个相电压VA、VB不重叠且具有大约50%的占空比。
[0013]在调节电路16A工作时，低侧开关SL和高侧开关SH将中间电压VX斩波为开关电压VLX。LC滤波器接收开关电压VLX，生成与平均开关电压VLX相等的输出电压V0。为了保证所需的输出电压V0，调节控制电压VR对低侧开关SL和高侧开关SH的占空比进行控制。此外，驱动级51提供能量以打开和关闭低侧和高侧开关SL、SH。
[0014]在先公开分别探讨了对开关式电容元件12A和调节电路16A的控制。这存在许多缺点，其中一个缺点在于中间电压VX纹波会馈通至输出电压V0。一种解决该问题的可能方案是建立反馈控制回路，该反馈控制回路速度够快，能使中间电压VX纹波对输出电压VO的影响减弱。为了实现该目标，调节电路16A的频率必须明显高于开关式电容元件12A的频率。
[0015]另一种解决该问题的可能方案是向调节电路16A增加前馈控制回路。然而，就像快速反馈解决方案的情况一样，前馈解决方案仅在调节电路16A的频率明显高于开关式电容元件12A的频率时方才有效。因此，这两种解决方案都对开关式电容元件12A和调节电路16A造成了严重的频率制约。
[0016]此外，开关式电容元件12A的第一网络状态和第二网络状态之间通常存在死区时间间隔DT。在该死区时间间隔DT期间，开关式电容元件12A中的所有开关均打开。这保证开关式电容元件12A的第一网络状态和第二网络状态之间的完全转换，反之亦然。如果调节电路16A在死区时间间隔DT期间尝试消耗电流，在开关式电容元件12A和调节电路16A之间的节点处会发生电压“毛刺”。
[0017]通过使用毛刺电容器CX可以减少电压“毛刺”。遗憾的是，每次开关式电容元件12A在第一网络状态和第二网络状态之间转换时，存储在毛刺电容器CX上的部分能量便会丢掉，反之亦然。能量损失由毛刺电容器CX短路到不同电压的电容器(比如，泵电容器Cl、C2)引起的。因此，在死区时间间隔DT期间使用毛刺电容器CX提供能量是一种有效的解决方案，但这需要一个额外的电容器，会降低功率转换器IOA的效率。
【发明内容】
[0018]在本发明的总体方面，提供了一种用于功率转换的装置，其包括:变压元件、调节元件以及控制器；其中，所述变压元件的周期等于系数和所述调节电路的周期之积，其中，所述系数选自由正整数和所述整数的倒数组成的组。本发明这方面的实施例可包括一个或多个下列特征。
[0019]调节元件配置为使连续电流从其中通过。作为替代方案，所述调节元件配置为使不连续电流从其中通过。
[0020]对所述调节元件进行控制，以避免在所述变压元件的死区时间期间使电流从其中通过。
[0021]所述控制器配置为对所述调节元件和所述变压元件中出现的多个相位进行控制。所述控制器配置为对所述调节元件和所述变压元件中出现的多个相位进行控制，以避免在与各个所述多个相位关联的死区时间期间使电流从其中通过。
[0022]所述装置进一步包括:数据处理单元和存储单元，所述数据处理单元和所述存储单元中的至少一个配置为消耗由所述功率转换电路提供的功率。
[0023]在其他实施例中，所述装置进一步包括:数据处理单元、显示器以及无线发射机和接收器，所述数据处理单元、所述显示器以及所述无线发射机和接收器中的至少一个配置为消耗由所述功率转换电路提供的功率。
[0024]在本发明的另一方面，提供了一种用于功率转换的装置，其包括:第一元件，其配置为接受具有第一电压的输入信号并输出具有第二电压的中间信号；第二元件，其配置为接收来自所述第一元件的中间信号并输出具有第三电压的输出信号。所述第一元件选自由变压元件和调节元件组成的组，所述第二元件在所述第一元件是变压元件时为调节元件，否则为变压元件；以及控制器，其配置为对所述变压元件的周期和所述调节元件的周期进行控制，所述控制器配置为使所述变压元件的周期与系数和所述调节元件的周期之积同步，所述系数选自由正整数和所述整数的倒数组成的组。
[0025]本发明的这方面的实施例可包括一个或多个下列特征。
[0026]所述系数是正整数，或作为替代方案，是所述正整数的倒数。
[0027]所述控制器配置为接收来自所述第一元件的中间信号和来自所述第二元件的输出信号。所述控制器配置为接收所述输入信号。所述控制器配置为基于所述输出信号生成第一控制信号；以及，将所述第一控制信号发送给所述调节元件。所述控制器配置为基于所述中间信号生成第二控制信号；以及，将所述第二控制信号发送给所述变压元件。所述控制器配置为提供线性电压模式控制。所述控制器配置为提供峰值电流模式控制。
[0028]输送调节元件配置为使连续电流从其中通过，或作为替代方案，所述调节元件配置为使不连续电流从其中通过。所述调节元件配置为避免在所述变压元件的死区时间期间使电流从其中通过。
[0029]所述变压元件包括多个变压子元件，所述调节元件包括多个调节子元件，其中，各个变压子元件与所述调节子元件中相对应的一个关联。所述第一元件包括变压元件，或包括调节元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]本文所述电路和技术的上述特点可从下列对附图的描述中得以更充分地理解，图中:
[0031]图1示出了已知的功率转换器结构；
[0032]图2示出了图1中的功率转换器结构的特定实施方式；
[0033]图3示出了与图2中的功率转换器耦合的控制器；
[0034]图4示出了图3中的控制器的特定实施方式；
[0035]图5示出了来自图4中的实施例的相关信号的时序图；
[0036]图6示出了图5中的所选信号的特写；
[0037]图7示出了开关式电容元件的直流模型；
[0038]图8A-8B示出了负载电流和中间电压纹波之间的关系；
[0039]图9示出了使开关式电容元件之前的调节电路同步的控制器；[0040]图10示出了使三相调节电路之前的三相开关式电容元件同步的三相控制器；
[0041]图11示出了图10中的三相控制器的特定实施方式；以及
[0042]图12A-12B示出了来自图11中的实施例的相关信号的时序图。
【具体实施方式】
[0043]本文所述的装置提供了一种在模块化多级功率转换器结构中对开关式电容元件12A和调节电路16A进行控制的方式。
[0044]在对利用电容器传递能量的功率转换器所用的控制器的多个示例性实施例进行描述之前，应了解，为了更清楚地对概念进行解释，本文有时参考利用电容器传递能量的功率转换器所用的具体控制器。应理解，这类参考仅仅是示例性的，不应被理解为具有限制性。在阅读本文提供的说明书之后，本领域的技术人员会理解如何应用本文所述的概念以提供利用电容器传递能量的功率转换器所用的特定控制器。
[0045]应理解，本文有时还参考特定的频率以及特定的变压比。应理解，这类参考仅仅是示例性的，不应被理解为具有限制性。
[0046]本文有时还可能参考特定应用。这类参考仅仅是示例性的，不应认为是将本文所述概念限制在特定应用中。
[0047]因此，虽然本文提供的说明针对特定电路方面或特定应用方面或特定频率方面的发明概念进行了解释，但是本领域的技术人员要了解，这些概念同样适用于其他电路或应用或频率。
[0048]本文所示的实施例至少部分地依赖于如下认识:通过使开关式电容元件12A和调节电路16A同步，可最大程度地降低中间电压VX纹波对输出电压VO和电压“毛刺”的影响。
[0049]图3图示了第一通用控制器20，该第一通用控制器20在图2所示的功率转换器IOA中使开关式电容元件12A和调节电路16A同步。第一通用控制器20接收五个输入信号，并提供三个输出信号。输入信号包括输入电压VIN、输出电压V0、中间电压VX、参考电压VREF以及时钟电压VCLK。输出信号包括调节控制电压VR、第一相电压VA和第二相电压VB0时钟电压VCLK设置调节控制电压VR的周期，参考电压VREF设置所需的输出电压V0。
[0050]开关式电容元件12A与调节电路16A的同步使得中间电压VX纹波与开关电压VLX同相。在这种场景中，如果调节电路16A的频率高于或等于开关式电容元件12A的频率，那么前馈控制有效，从而减轻对单独控制级的严重频率制约。
[0051]此外，当调节电路16A没有消耗输入电流时，如果开关式电容元件12A出现死区时间间隔DT，图2所示的毛刺电容器CX可全部移除。开关式电容元件12A和调节电路16A的同步保证了在死区时间间隔DT和调节电路16A没有消耗输入电流的间隔之间的固有时间。
[0052]开关式电容元件12A和调节电路16A同步的另一益处在于，能够在零电流流经电源开关S1-S8时打开和关闭开关式电容元件12A中的电源开关S1-S8。这种技术常常称作零电流开关。为了实现零电流开关，当调节电路16A没有消耗输入电流时，死区时间间隔DT必须出现。
[0053]图4图示了作为第一通用控制器20的优选实施例的控制器20A。控制器20A可以分为第一控制部分和第二控制部分。用于调节电路16A的控制电路位于第一控制部分，该控制电路包括第一、第二、第三和第四控制块30、31、32和33。相反，用于开关式电容元件12A的控制电路位于第二控制部分，该控制电路包括第五、第六和第七控制块34、35和36。第四控制块33和第五控制块34之间的“链路”使第一和第二控制部分能够同步。
[0054]为了更清楚地解释控制器20A的运行，图5图示了由控制器20A生成的某些相关信号。相关信号包括时钟电压VCLK、锯齿电压VSAW、调节控制电压VR、开关电压VLX、滤波电感电流IL、中间电压VX、第一相电压VA和第二相电压VB。此外，图6图示了图5中的一些波形的特写，其中，调节控制电压周期TSW与调节控制电压VR的频率相逆。
[0055]回头参照图4，控制器20A中的第一控制部分使用线性电压模式控制方案对调节电路16A进行控制。控制器20A将输出电压VO与参考电压VREF进行比较，从而生成由第二控制块31调适的残余电压。生成的误差电压VERR然后流入第三控制块32，在该第三控制块32中，将误差电压VERR与锯齿电压VSAW进行比较。最后，第三控制块32的输出进一步由第四控制块33调适，生成调节控制电压VR。
[0056]第一控制块30通过从时钟电压VCLK生成锯齿电压VSAW来设置调节控制电压VR的频率。此外，通过基于输入电压VIN调节锯齿电压VSAW的峰值电压，第一控制块30提供了调节电路16A的前馈控制。作为替代方案，通过在第二控制块31中相对于输入电压VIN对误差电压VERR进行调节，可以实施前馈控制。
[0057]控制器20A中的第二控制部分使用滞环控制方案控制开关式电容元件12A。控制器20A基于滞环使第一相电压和第二相电压VA、VB在第一网络状态和第二网络状态之间来回循环通过开关式电容元件12A。
[0058]在运行期间，第六控制块35继续比较中间电压VX和触发电压VXL。当中间电压VX降到低于触发电压VXL时，第五控制块34被触发，然后等待确认信号。一旦第四控制块33发送通知第五控制块34其可进行状态改变的信号，图6所示的死区时间间隔DT便开始。在死区时间间隔DT期间，第一相电压和第二相电压VA、VB设为低。在死区时间间隔DT之后，将第一相电压VA设为高而第二相电压VB保持为低，还是将第一相电压VA保持为低而第二相电压VB设为高，取决于初始状态。在状态改变之后，重置第五控制块34，该序列重复。
[0059]控制器20A因此使开关式电容元件12A的频率成为调节电路16A频率的约数。图5图示了这一约束，其中，第一相电压VA和第二相电压VB的频率远低于调节控制电压VR的频率。在某些实际应用中，第二相电压VB的频率仅仅是控制电压VR的频率的十分之一。
[0060]由于开关式电容元件12A由非电容调节电路16A所加载，所以中间电压VX上的电压纹波是锯齿波形的分段线性近似。如本文中所使用的，中间峰-峰电压纹波AVX等于最大中间电压减去平稳状态条件下的最小中间电压。通常，中间电压VX包括来自调节电路16A的高频分量，该高频分量叠加在来自开关式电容元件12A的低频锯齿波形。
[0061]遗憾的是，在第五控制块34等待状态改变时，中间电压VX使三角电压AVD降到低于触发电压VXL，如图5中中间电压VX曲线所示。通常，三角电压AVD很小，尤其是如果开关式元件12A的频率远低于调节电路16A的频率。三角电压AVD最大可等于中间峰-峰电压纹波AVX的一半，这在开关式电容元件12A的频率等于调节电路16A的频率时出现。
[0062]图7图示了耦合在电压源14和调节电路16A之间的开关式电容元件12A的直流模型。直流模型包括具有有限输出电阻RO的变压器。假设开关式电容元件12A传送中间电流IX，中间电压VX的平均值可以利用下式计算得到:
【权利要求】
1.一种用于功率转换的装置，其包括:变压元件、调节元件以及控制器；其中，所述变压元件的周期等于系数和所述调节电路的周期之积，其中，所述系数选自由正整数和所述整数的倒数组成的组。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述调节元件配置为使连续电流从其中通过。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述调节元件配置为使不连续电流从其中通过。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，对所述调节元件进行控制，以避免在所述变压元件的死区时间期间使电流从其中通过。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器配置为对所述调节元件和所述变压元件中出现的多个相位进行控制。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器配置为对所述调节元件和所述变压元件中出现的多个相位进行控制，以避免在与各个所述多个相位关联的死区时间期间使电流从其中通过。
7.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括:数据处理单元和存储单元，所述数据处理单元和所述存储单元中的至少一个配置为消耗由所述功率转换电路提供的功率。
8.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括:数据处理单元、显示器以及无线发射机和接收器，所述数据处理单元、所述显示器以及所述无线发射机和接收器中的至少一个配置为消耗由所述功率转换电路提供的功率。
9.一种用于功率 转换的装置，所述装置包括:第一元件，其配置为接受具有第一电压的输入信号并输出具有第二电压的中间信号；第二元件，其配置为接收来自所述第一元件的中间信号并输出具有第三电压的输出信号，其中，所述第一元件选自由变压元件和调节元件组成的组，所述第二元件在所述第一元件是变压元件时为调节元件，否则为变压元件；以及控制器，其配置为对所述变压元件的周期和所述调节元件的周期进行控制，所述控制器配置为使所述变压元件的周期与系数和所述调节元件的周期之积同步，其中，所述系数选自由正整数和所述整数的倒数组成的组。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述系数为正整数。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述系数为所述正整数的倒数。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述控制器配置为接收来自所述第一元件的中间信号和来自所述第二元件的输出信号。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述控制器配置为接收所述输入信号。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述控制器配置为基于所述输出信号生成第一控制信号；以及，将所述第一控制信号发送给所述调节元件。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述控制器配置为基于所述中间信号生成第二控制信号；以及，将所述第二控制信号发送给所述变压元件。
16.根据权利要求9所述的装置，其中，所述控制器配置为提供线性电压模式控制。
17.根据权利要求9所述的装置，其中，所述控制器配置为提供峰值电流模式控制。
18.根据权利要求9所述的装置，其中，所述调节元件配置为使连续电流从其中通过。
19.根据权利要求9所述的装置，其中，所述调节元件配置为使不连续电流从其中通过。
20.根据权利要求9所述的装置，其中，所述调节元件配置为避免在所述变压元件的死区时间期间使电流从其中通过。
21.根据权利要求9所述的装置，其中，所述变压元件包括多个变压子元件，所述调节元件包括多个调节子元件，其中，各个变压子元件与所述调节子元件中相对应的一个关联。
22.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一元件包括变压元件。
23.根据权利要 求9所述的装置，其中，所述第一元件包括调节元件。
【文档编号】H02M3/07GK104011985SQ201280063037
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月19日
【发明者】大卫·朱利亚诺 申请人:北极砂技术有限公司